As esponjas são alguns dos animais mais antigos da Terra. Eles vivem em uma grande variedade de águas, de lagos a oceanos profundos. Notavelmente, o esqueleto de algumas esponjas é construído a partir de uma rede de estruturas de vidro altamente simétricas. Esses andaimes de vidro intrigam os pesquisadores há muito tempo. Como as esponjas manipulam o vidro desordenado nos elementos do esqueleto que são tão regulares? Pesquisadores do B CUBE - Centro de Bioengenharia Molecular da TU Dresden, juntamente com as equipes do Centro para o Avanço da Eletrônica de Dresden (cfaed) e da Fonte de Luz Suíça do Instituto Paul Scherrer na Suíça são os primeiros a determinar o tridimensional (3-D ) estrutura de uma proteína responsável pela formação do vidro em esponjas. Eles explicam como o primeiro e, na verdade, o único cristal mineral de proteína natural conhecido é formado. Os resultados foram publicados na revista PNAS .

As esponjas de vidro - como o nome sugere - têm um esqueleto à base de vidro composto por uma rede de agulhas de vidro, ganchos, estrelas, e esferas. Para alcançar uma arquitetura tão única, eles precisam manipular a forma do vidro desordenado para formar elementos altamente regulares e simétricos. Fibras cristalinas finas feitas de uma proteína, conhecido como silicateina, estão presentes em canais dentro desses elementos de vidro. Sabe-se que os cristais de silicateina são responsáveis ​​pela síntese do vidro em esponjas e pela formação do esqueleto do vidro. Contudo, até agora os esforços para determinar a estrutura 3-D desta proteína, descrever como ele se monta em cristais, e como eles formam o esqueleto de vidro não tiveram sucesso. Principalmente, porque ninguém foi capaz de reproduzir esses cristais no laboratório.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Dr. Igor Zlotnikov do B CUBE - Centro de Bioengenharia Molecular da TU Dresden tentou uma abordagem incomum. Em vez de produzir silicateina em laboratório e tentar obter cristais crescidos em laboratório para estudar a estrutura, os pesquisadores decidiram tirar as agulhas de vidro de um esqueleto de esponja e analisar os minúsculos cristais que já existem dentro dela.

O grupo Zlotnikov junto com pesquisadores do Centro de Nanoanálise de Dresden (DCN) no Centro para o Avanço da Eletrônica de Dresden (cfaed) usou microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) para dar uma olhada mais de perto nos cristais de silicateina empacotados dentro das agulhas de vidro. "Observamos uma estrutura excepcionalmente ordenada e ao mesmo tempo complexa. Analisando a amostra, vimos que ela é uma mistura de matéria orgânica e inorgânica. O que significa que tanto as proteínas quanto o vidro formam uma superestrutura híbrida que de alguma forma molda o esqueleto das esponjas , "explica o Dr. Zlotnikov.

Uma forma tradicional de obter uma estrutura 3-D de uma proteína é expor seu cristal a um feixe de raios-X. Cada cristal de proteína espalha os raios X de uma maneira diferente, fornecendo um instantâneo único de seu arranjo interno. Girando o cristal e coletando esses instantâneos de muitos ângulos, os pesquisadores podem usar métodos computacionais para determinar a estrutura da proteína 3-D. Essa abordagem é amplamente usada e é a base da biologia estrutural moderna. Funciona bem com cristais de pelo menos 10 mícrons de tamanho. Contudo, o grupo Zlotnikov queria analisar cristais de silicateina que eram cerca de 10 vezes menores. Quando expostos a raios-X, eles foram danificados quase imediatamente, tornando impossível coletar um conjunto de dados completo de instantâneos de vários ângulos.

Com o apoio da equipe da Swiss Light Source (SLS) da PSI, os pesquisadores usaram um novo método emergente conhecido como cristalografia serial. "Você combina imagens de difração de muitos cristais, "diz Filip Leonarski, cientistas da linha de luz no PSI, quem estava envolvido no estudo. "Com o método tradicional, você grava um filme. Com o novo método, você obtém muitos instantâneos que depois são combinados para decifrar a estrutura." Cada foto é tirada em uma parte diferente do minúsculo cristal ou mesmo de um cristal diferente.

No total, os pesquisadores coletaram mais de 3.500 instantâneos individuais de difração de raios-X de 90 agulhas de vidro em orientações completamente aleatórias. Usando métodos computacionais de última geração, eles foram capazes de encontrar ordem dentro do caos e reunir os dados para determinar a primeira estrutura 3-D completa da silicateina.

"Antes deste estudo, a estrutura da silicateina foi hipotetizada com base em sua semelhança com outras proteínas, "diz o Dr. Zlotnikov. Usando a estrutura 3-D recém-obtida da silicateina, os pesquisadores foram capazes de compreender sua montagem e função dentro do esqueleto de vidro da esponja. Eles construíram um modelo computacional da superestrutura dentro da agulha de vidro e explicaram as imagens complexas iniciais das superestruturas de proteína de vidro obtidas com o HRTEM.

"Fornecemos informações detalhadas sobre a existência de uma superestrutura de proteína-vidro 3-D funcional em um organismo vivo. Na verdade, o que descrevemos é o primeiro conjunto cristalino híbrido de proteína-mineral que ocorre naturalmente, "conclui o Dr. Zlotnikov.